(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、発電時に前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させ、熱媒体を発生させる燃焼器と、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、前記熱媒体により加熱する熱交換器と、熱交換後の前記熱媒体を利用する熱利用設備とを備え、前記燃料電池スタックの下流側には、前記燃焼器、前記熱交換器及び前記熱利用設備の順に配置される燃料電池システムであって、
前記燃焼器で発生した前記熱媒体の少なくとも一部が、前記熱交換器を迂回して前記熱利用設備に供給されるバイパス通路と、
前記熱交換器により加熱された前記酸化剤ガスを介して前記燃料電池スタックへの熱量の供給を調整するとともに、前記バイパス通路を通過して前記熱利用設備に供給される前記熱媒体の熱量を調整する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記バイパス通路を通過する前記熱媒体の熱量と、前記熱交換器を通過する前記熱媒体の熱量との分配比を調整する可変バルブを有し、前記可変バルブが前記バイパス通路の上流側で、該バイパス通路と排ガス通路との接続部位に設けられ、且つ、前記燃焼器の下流側に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックが一定の発電条件で電気化学反応を行うために必要な熱量を、前記熱媒体を介して使用前の前記酸化剤ガスに供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記熱利用設備で熱要求がなされた際、前記燃料電池スタックが一定の発電条件で運転するために必要な熱量を、前記熱交換器により前記酸化剤ガスと熱交換させるために、前記燃焼器を随時稼動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃焼器を稼動させて前記熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を前記熱交換器に供給するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの停止時に、前記燃焼器を停止して前記熱媒体の発生を停止させるとともに、前記排ガスの全量を、前記熱交換器を迂回させて前記熱利用設備に供給するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックが停止した状態で、前記熱利用設備で熱要求がなされた際、前記燃焼器を稼動させて前記熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を、前記熱交換器を迂回させて前記熱利用設備に供給するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱媒体は、前記発電時に前記燃料電池スタックから排出される排ガス、前記排ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、又は酸化剤ガス及び燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガスの少なくともいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記発電時に前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させ、熱媒体を発生させる燃焼器と、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、前記熱媒体により加熱する熱交換器と、熱交換後の前記熱媒体を利用する熱利用設備とを備え、前記燃料電池スタックの下流側には、前記燃焼器、前記熱交換器及び前記熱利用設備の順に配置される燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃焼器で発生した前記熱媒体を、前記熱交換器に供給して前記酸化剤ガスを加熱するとともに、加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する一方、熱交換された前記熱媒体を前記熱利用設備に供給する工程と、
前記熱媒体の少なくとも一部を、前記熱交換器を迂回するバイパス通路を通して前記熱利用設備に供給する工程と、
を有し、
前記バイパス通路を通過する前記熱媒体の熱量と、前記熱交換器側を通過する前記熱媒体の熱量との分配比を、前記バイパス通路の上流側で、該バイパス通路と排ガス通路との接続部位に設けられ、且つ、前記燃焼器の下流側に設けられた可変バルブを開度調整することによって調整することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
請求項８記載の運転方法において、前記燃料電池スタックが一定の発電条件で電気化学反応を行うために必要な熱量を、前記熱媒体を介して使用前の前記酸化剤ガスに供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
請求項９記載の運転方法において、前記熱利用設備で熱要求がなされた際、前記燃料電池スタックが一定の発電条件で運転するために必要な熱量を、前記熱交換器により前記酸化剤ガスと熱交換させるために、前記燃焼器を随時稼動させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃焼器を稼動させて前記熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を前記熱交換器に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池スタックの停止時に、前記燃焼器を停止して前記熱媒体の発生を停止させるとともに、前記排ガスの全量を、前記熱交換器を迂回させて前記熱利用設備に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池スタックが停止した状態で、前記熱利用設備で熱要求がなされた際、前記燃焼器を稼動させて前記熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を、前記熱交換器を迂回させて前記熱利用設備に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記熱媒体は、前記発電時に前記燃料電池スタックから排出される排ガス、前記排ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、又は酸化剤ガス及び燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガスの少なくともいずれかであることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、燃焼器、熱交換器及び熱利用設備を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、作動温度が高温（例えば、８００℃前後）であるため、排熱を利用して水を加熱して給湯する等、燃料電池コジェネレーションに好適に採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池コジェネレーションシステムでは、図１１に示すように、燃料電池１ａの下流側に、この燃料電池１ａのオフガスを燃焼するオフガスバーナ２ａが設けられている。オフガスバーナ２ａの排熱を熱媒体の加熱に利用している給湯システムには、湯を注入するタンク３ａが設けられるとともに、このタンク３ａに連結された水回路４ａには、追炊バーナ５ａが配設されている。この追炊バーナ５ａには、燃焼用燃料（都市ガス）を燃焼するための酸化触媒が充填されている。
【０００５】
従って、タンク３ａ内の水を、オフガスバーナ２ａの排熱と追炊バーナ５ａの燃焼熱とにより加熱することができ、前記タンク３ａ内の水の温度を、常時、高温に維持することができる、としている。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池コジェネレーションシステムとその制御方法では、図１２に示すように、高温作動型の燃料電池１ｂと、この燃料電池１ｂの排気系２ｂに介装されて燃料電池排熱を熱需要側へ供給する熱交換器３ｂと、前記燃料電池１ｂの運転状態を監視する運転状態監視手段４ｂと、制御手段５ｂとを含み、前記制御手段５ｂは、熱需要に変動して燃料電池１ｂの発電出力及び／又は燃料電池１ｂの排気ガス温度を変動させる制御を行なっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１８５１６７号公報
【特許文献２】特開２００６−７３３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、オフガスバーナ２ａ及び追炊バーナ５ａの２台のバーナを設置しなければならない。このため、設置スペースが拡大してシステム全体を小型化することが困難になるとともに、コストが高騰するという問題がある。
【０００９】
また、上記の特許文献２では、熱需要により、例えば、燃料利用率等を変化させるため、燃料電池１ｂに供給される燃料ガス量も変動してしまう。これにより、燃料電池１ｂの発電反応の状況（反応温度や電流密度）も変動するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、小型且つ経済的に構成するとともに、燃料電池スタックの定常運転を維持した状態で、熱要求に良好に応答することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、発電時に前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させ、熱媒体を発生させる燃焼器と、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、前記熱媒体により加熱する熱交換器と、熱交換後の前記熱媒体を利用する熱利用設備とを備え、前記燃料電池スタックの下流側には、前記燃焼器、前記熱交換器及び前記熱利用設備の順に配置される燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
【００１２】
燃料電池システムは、燃焼器で発生した熱媒体の少なくとも一部が、熱交換器を迂回して熱利用設備に供給されるバイパス通路と、前記熱交換器により加熱された酸化剤ガスを介して燃料電池スタックへの熱量の供給を調整するとともに、前記バイパス通路を通過して熱利用設備に供給される前記熱媒体の熱量を調整する制御装置とを備えている。
【００１３】
また、制御装置は、バイパス通路を通過する熱媒体の熱量と、熱交換器を通過する前記熱媒体の熱量との分配比を調整する可変バルブを備えることが好ましい。このため、バイパス通路を通過する熱媒体の熱量と、熱交換器を通過する前記熱媒体の熱量とに、容易且つ良好に分配することができる。
【００１４】
さらに、制御装置は、燃料電池スタックが一定の発電条件で電気化学反応を行うために必要な熱量を、熱媒体を介して使用前の酸化剤ガスに供給することが好ましい。ここで、一定の発電条件とは、熱交換器で加熱された使用前の酸化剤ガスの温度が、燃料電池スタックの運転中に常時一定であることをいう。従って、加熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給するだけで、前記燃料電池スタックの定常運転に必要な熱量を安定して供給することが可能になる。
【００１５】
さらにまた、制御装置は、熱利用設備で熱要求がなされた際、燃料電池スタックが一定の発電条件で運転するために必要な熱量を、熱交換器により酸化剤ガスと熱交換させるために、燃焼器を随時稼動させることが好ましい。
【００１６】
これにより、燃料電池スタックを一定の発電条件に維持することができるとともに、余剰の熱量が存在する際には、燃焼器を稼動させずに、該余剰の熱量をバイパス通路を経由して熱利用設備に供給することが可能になる。
【００１７】
一方、燃料電池スタックに供給される熱量が不足する際には、燃焼器を稼動（追い炊き）することにより、熱量を発生させて熱交換器に供給することができる。このため、酸化剤ガスが加熱され、この加熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することによって、前記燃料電池スタックが一定の発電条件を維持することが可能になる。
【００１８】
また、制御装置は、燃料電池スタックの起動時に、燃焼器を稼動させて熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を熱交換器に供給するよう制御することが好ましい。従って、熱交換器で熱交換される酸化剤ガスは、早期に高温になるため、燃料電池スタックを迅速に加熱することができる。
【００１９】
さらに、制御装置は、燃料電池スタックの停止時に、燃焼器を停止して熱媒体の発生を停止させるとともに、排ガスの全量を、熱交換器を迂回させて熱利用設備に供給するよう制御することが好ましい。このため、使用前の酸化剤ガスは、熱交換器で熱量を得ることがなく、燃料電池スタックに供給される熱量が激減され、前記燃料電池スタックの停止時間が大幅に短縮される。
【００２０】
さらにまた、制御装置は、燃料電池スタックが停止した状態で、熱利用設備で熱要求がなされた際、燃焼器を稼動させて熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を、熱交換器を迂回させて熱利用設備に供給するよう制御することが好ましい。これにより、燃料電池スタックが稼動を停止した状態でも、熱利用設備の熱需要に有効に対応することが可能になる。
【００２１】
また、熱媒体は、発電時に燃料電池スタックから排出される排ガス、前記排ガスを燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、又は酸化剤ガス及び燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガスの少なくともいずれかであることが好ましい。このため、燃焼器は、追い炊き機能を有することができる。
【００２２】
さらに、燃料電池システムの運転方法は、燃焼器で発生した熱媒体を、熱交換器に供給して酸化剤ガスを加熱するとともに、加熱された前記酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する一方、熱交換された前記熱媒体を熱利用設備に供給する工程と、前記熱媒体の少なくとも一部を、前記熱交換器を迂回するバイパス通路を通して前記熱利用設備に供給する工程とを有している。
【００２３】
さらにまた、バイパス通路を通過する熱媒体の熱量と、熱交換器側を通過する前記熱媒体の熱量との分配比を調整することが好ましい。このため、バイパス通路を通過する熱媒体の熱量と、熱交換器側を通過する前記熱媒体の熱量とに、容易且つ良好に分配することができる。
【００２４】
また、燃料電池スタックが一定の発電条件で電気化学反応を行うために必要な熱量を、熱媒体を介して使用前の酸化剤ガスに供給することが好ましい。従って、加熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給するだけで、前記燃料電池スタックに必要な熱量を安定して供給することが可能になる。
【００２５】
さらに、熱利用設備で熱要求がなされた際、燃料電池スタックが一定の発電条件で運転するために必要な熱量を、熱交換器により酸化剤ガスと熱交換させるために、燃焼器を随時稼動させることが好ましい。これにより、燃料電池スタックを一定の発電条件（一定のスタック温度、定常運転）に維持することができるとともに、余剰の熱量が存在する際には、燃焼器を稼動させずに、該余剰の熱量をバイパス通路を経由して熱利用設備に供給することが可能になる。
【００２６】
一方、燃料電池スタックに供給される熱量が不足する際には、燃焼器を稼動（追い炊き）することにより、熱量を発生させて熱交換器に供給することができる。このため、酸化剤ガスが加熱され、この加熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することによって、前記燃料電池スタックが一定の発電条件を維持することが可能になる。
【００２７】
さらにまた、燃料電池スタックの起動時に、燃焼器を稼動させて熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を熱交換器に供給することが好ましい。従って、熱交換器で熱交換される酸化剤ガスは、早期に高温になるため、燃料電池スタックを迅速に加熱することができる。
【００２８】
また、燃料電池スタックの停止時に、燃焼器を停止して熱媒体の発生を停止させるとともに、排ガスの全量を、熱交換器を迂回させて熱利用設備に供給することが好ましい。このため、使用前の酸化剤ガスは、熱交換器で熱量を得ることがなく、燃料電池スタックに供給される熱量が激減され、前記燃料電池スタックの停止時間が大幅に短縮される。
【００２９】
さらに、燃料電池スタックが停止した状態で、熱利用設備で熱要求がなされた際、燃焼器を稼動させて熱媒体を発生させるとともに、発生した前記熱媒体の全量を、熱交換器を迂回させて熱利用設備に供給することが好ましい。これにより、燃料電池スタックが稼動を停止した状態でも、熱利用設備の熱需要に有効に対応することが可能になる。
【００３０】
さらにまた、熱媒体は、発電時に燃料電池スタックから排出される排ガス、前記排ガスを燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、又は酸化剤ガス及び燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させた燃焼ガスの少なくともいずれかであることが好ましい。このため、燃焼器は、追い炊き機能を有することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、燃料電池スタックが、一定の温度条件で発電運転するために必要な熱量を、前記燃料電池スタックに安定して供給しながら、熱利用設備の熱要求に対応した熱量を、前記熱利用設備に供給することが可能になる。これにより、熱利用設備の運転状況に影響されることがなく、燃料電池スタックの安定した定常運転を確実に維持することができる。しかも、単一の燃焼器を備えるだけでよく、小型且つ経済的に構成するとともに、燃料電池スタックの定常運転を維持した状態で、熱要求に良好に応答することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００３３】
燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１２、前記発電時に前記燃料電池スタック１２から排出される排ガスを燃焼させ、熱媒体を発生させる燃焼器（例えば、バーナ）１４と、前記燃料電池スタック１２に供給される前の酸化剤ガスを、前記熱媒体により加熱する熱交換器１６と、熱交換後の前記熱媒体を利用する熱利用設備１８とを備える。
【００３４】
燃料電池スタック１２の下流側には、燃焼器１４、熱交換器１６及び熱利用設備１８の順に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２には、燃料供給装置２０と空気供給装置２２とが接続される。
【００３５】
燃料電池スタック１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される固体酸化物形の燃料電池２４を設ける。複数の燃料電池２４は、鉛直方向又は水平方向に積層されることにより、固体酸化物形の燃料電池スタック１２が構成される。
【００３６】
燃料電池スタック１２には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出する排ガス通路２６が接続されるとともに、この排ガス通路２６の途上には、燃焼器１４が接続される。
【００３７】
燃焼器１４は、該燃焼器１４が停止中に燃料電池スタック１２から排出される排ガスを通過させる機能と、燃料電池スタック１２から排出される排ガス中に残存する未使用の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する機能と、燃料導入路２８から供給される燃焼用燃料（燃料ガス）を空気導入路３０から供給される燃焼用空気（酸化剤ガス）で燃焼して燃焼ガスを生成する機能（追い炊き機能）とを有する。なお、燃料電池スタック１２から排出される排ガスは、排出直後に燃焼（所謂、後燃え）され、停止中の燃焼器１４を通過して熱交換器１６に供給されることにより、酸化剤ガスを加熱する。
【００３８】
排ガス通路２６には、燃料電池スタック１２もしくは燃焼器１４で発生した熱媒体の少なくとも一部が、熱交換器１６を迂回して熱利用設備１８に供給されるバイパス通路３２が接続される。排ガス通路２６とバイパス通路３２との接続部位には、前記バイパス通路３２を通過する前記熱媒体の熱量と、前記熱交換器１６を通過する前記熱媒体の熱量との分配比を調整するための可変バルブ３４が設けられる。
【００３９】
燃料電池システム１０は、熱交換器１６により加熱された使用前の酸化剤ガス（以下、空気ともいう）を介して燃料電池スタック１２への熱量の供給を調整するとともに、バイパス通路３２を通過して熱利用設備１８に供給される前記熱媒体の熱量を調整する制御部３６を備える。可変バルブ３４及び制御部３６は、本実施形態の制御装置を構成する。
【００４０】
燃料供給装置２０は、例えば、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を改質した改質ガスを、燃料ガスとして燃料ガス供給路３８を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給口（図示せず）に供給する。
【００４１】
空気供給装置２２は、熱交換器１６に接続される空気供給路４０を備え、この空気供給路４０は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給口（図示せず）に接続される。酸化剤ガス供給口の近傍には、燃料電池スタック１２に供給される空気の温度を検出するための温度センサ４２が配置される。なお、燃料電池スタック１２の排ガス出口側には、図示しないが、排ガスの温度を検出するために温度センサを配置してもよい。
【００４２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、以下に説明する。
【００４３】
先ず、燃料電池システム１０を起動する方法について、図２に示すフローチャート及び図３を参照して説明する。
【００４４】
ステップＳ１において、燃料電池システム１０が、始動開始状態にあるか否かが判断される。ここで、燃料電池スタック１２には、図３に示すように、燃料供給装置２０から燃料ガス供給路３８を通って燃料ガスが供給されるとともに、空気供給装置２２から空気供給路４０を通って空気が供給されることにより、発電が開始される前の状態となっている。従って、例えば、燃料電池スタック１２へ燃料ガスや空気が供給されている状態を確認することにより、燃料電池スタック１２が始動前の状態であるか否かが判断される。
【００４５】
そして、燃料電池システム１０が始動状態であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、燃焼器１４による追い炊きが行なわれる。具体的には、燃焼器１４には、燃料導入路２８から燃焼用燃料が供給される一方、空気導入路３０から燃焼用空気が供給される。これにより、燃焼器１４で燃焼が行なわれ、燃焼ガスが生成される。
【００４６】
さらに、ステップＳ３では、可変バルブ３４が全開（バイパス通路３２への分配比＝０）されることにより、燃焼器１４から送られる燃焼ガスである熱媒体は、バイパス通路３２に流れることがなく、この熱媒体の全量が熱交換器１６に供給される。このため、熱交換器１６では、燃焼器１４で追い炊きされて熱量が増加された熱媒体の全量が、使用前の空気と熱交換され、この使用前の空気は、急速に高温になって燃料電池スタック１２に供給される。これにより、燃料電池スタック１２を迅速に加熱することができ、前記燃料電池スタック１２の始動性が向上するという効果がある。
【００４７】
そして、燃料電池スタック１２が、例えば、燃料電池スタック１２の温度等を検出することにより、定常運転を行なっていると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、燃焼器１４による追い炊きが停止される。
【００４８】
燃料電池スタック１２では、一定の発電条件で電気化学反応を行なうために、この燃料電池スタック１２に供給される空気の温度を一定に保持する必要がある。このため、ステップＳ６において、温度センサ４２を介して検出される空気の温度が一定であるか否かが判断され、一定であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、燃料電池システム１０の運転が停止すると判断されるまで、空気温度を一定に維持している。
【００４９】
一方、ステップＳ６において、空気温度が変動すると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、可変バルブ３４の開度調整が行なわれる。従って、熱交換器１６に供給される熱媒体の熱量と、バイパス通路３２に供給される熱媒体の熱量との分配比が調整され、前記熱交換器１６で熱交換される空気の温度が調整される。これにより、燃料電池スタック１２に供給される空気の温度は、一定に維持される。
【００５０】
次に、燃料電池スタック１２が一定の発電条件で運転している際、熱利用設備１８からの熱要求がなされた際、以下に示す制御が行なわれる。ここで、燃焼器１４が追い炊きされる際、熱媒体の分配比αによる空気の熱量と熱利用設備１８の熱量とは、図４中に記載されている関係式から得られる。このため、燃焼器１４による追い炊きを行なわず、且つ分配比＝０である場合、燃料電池スタック１２に供給される空気の熱量がηＱとなる。
【００５１】
燃料電池スタック１２に供給される熱量が一定であるとすると、ηＱ＝η（１−α）（Ｑ＋△Ｑ）の関係式が得られる。従って、分配比αは、α＝１−Ｑ／（Ｑ＋△Ｑ）によって設定される。これにより、追い炊き比（△Ｑ／Ｑ）と分配比αとは、図５に示す関係を有する。
【００５２】
一方、図４に示すように、熱利用設備１８では、（１−η）Ｑ＋△Ｑの熱量が得られる。すなわち、熱利用設備１８では、分配比αに係わらず、追い炊き分の熱量△Ｑだけ熱量が増加することになる。
【００５３】
そこで、図６に示すように、燃料電池システム１０が定常運転を行なっている際（ステップＳ１１）、熱利用設備１８の熱要求が増加していると判断すると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、燃焼器１４による追い炊きが行なわれる。その際、燃焼器１４では、熱利用設備１８からの要求される熱量に対応する熱量（△Ｑ）だけ追い炊きすればよい。
【００５４】
そして、ステップＳ１４で、空気温度が一定であるか否かが判断され、この空気温度が一定であれば（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む一方、この空気温度が一定でないと判断されると（ステップＳ１４中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、可変バルブ３４の開度が調整され、燃料電池スタック１２に供給される空気の温度が一定に維持される。
【００５５】
この場合、本実施形態では、熱利用設備１８で熱要求がなされた際、熱交換器１６で加熱された使用前の空気の温度は、燃料電池スタック１２の運転中に常時一定に維持されており、前記燃料電池スタック１２は、一定の発電条件で運転することができるという効果が得られる。
【００５６】
これにより、熱利用設備１８の熱要求が変動しても、燃料電池スタック１２は、常時、一定の発電条件に維持される。そして、余剰の熱量が存在する際には、燃焼器１４による追い炊きを停止し、この余剰の熱量を、バイパス通路３２を経由して熱利用設備１８に直接供給することが可能になる。
【００５７】
一方、燃料電池スタック１２に供給される熱量が不足する際には、燃焼器１４を追い炊きすることにより、熱量を発生させて熱交換器１６に供給することができる。このため、加熱された空気を燃料電池スタック１２に供給することによって、前記燃料電池スタック１２が一定の発電条件を維持することが可能になる。
【００５８】
次に、燃料電池スタック１２を停止する方法について、図７に示すフローチャート及び図８を参照して説明する。
【００５９】
燃料電池システム１０が、定常運転を行なっている際（ステップＳ２１）、電力要求及び熱要求が０となると（ステップＳ２２中、ＹＥＳ）、ステップＳ２３に進んで、燃焼器１４による追い炊きが停止される。さらに、可変バルブ３４が閉塞されることにより、分配比＝１に設定される（ステップＳ２４）。このため、図８に示すように、燃料電池スタック１２からの排ガスの全量は、燃焼器１４からバイパス通路３２を通って熱利用設備１８に供給される。
【００６０】
従って、熱交換器１６には、熱媒体が流れることがなく、空気供給装置２２から送られる使用前の空気は、前記熱交換器１６で加熱されることがなく、常温の空気として燃料電池スタック１２に供給される。これにより、燃料電池スタック１２に供給される熱量が激減され、前記燃料電池スタック１２が迅速に冷却されて停止時間が大幅に短縮されるという利点がある。そして、運転が停止されることにより（ステップＳ２５中、ＹＥＳ）、早期停止処理が終了する。
【００６１】
さらにまた、本実施形態では、燃料電池スタック１２の運転が停止した状態で、熱利用を行なうことができる。すなわち、図９に示すフローチャート及び図１０に示すように、燃料電池スタック１２の運転が停止した後（ステップＳ３１）、熱利用設備１８から熱要求がなされると（ステップＳ３２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３３に進んで、燃焼器１４による追い炊きが行なわれる。
【００６２】
その際、可変バルブ３４が全閉（分配比＝１）されるため（ステップＳ３４）、燃焼器１４により発生した熱媒体の全量は、熱交換器１６を迂回して熱利用設備１８に供給される（図１０参照）。これにより、燃料電池スタック１２の可動が停止した状態でも、熱利用設備１８からの熱需要に有効に対応することが可能になる。
【００６３】
上記のように、本実施形態では、燃料電池スタック１２が一定の温度条件で発電運転するために必要な熱量を、一定温度に維持された空気を介して前記燃料電池スタック１２に安定して供給しながら、熱利用設備１８の熱要求に対応した熱量を、前記熱利用設備１８に供給することが可能になる。これにより、小型且つ経済的な構成で、熱利用設備１８の運転状況に影響されることがなく、燃料電池スタック１２の安定した定常運転を確実に維持することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムの起動時のフローチャートである。
【図３】前記燃料電池システムの起動時の動作説明図である。
【図４】前記燃料電池システムの追い炊き時の熱量の説明図である。
【図５】追い炊き比と分配比との関係説明図である。
【図６】前記燃料電池システムの熱要求時のフローチャートである。
【図７】前記燃料電池システムの早期停止時のフローチャートである。
【図８】前記燃料電池システムの早期停止時の動作説明図である。
【図９】前記燃料電池システムの停止後の熱要求時のフローチャートである。
【図１０】前記燃料電池システムの停止後の熱要求時の動作説明図である。
【図１１】特許文献１のシステムの説明図である。
【図１２】特許文献２のシステムの説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…燃料電池システム            １２…燃料電池スタック
１４…燃焼器                      １６…熱交換器
１８…熱利用設備                  ２０…燃料供給装置
２２…空気供給装置                ２４…燃料電池
２５…排ガス通路                  ２８…燃料導入路
３０…空気導入路                  ３２…バイパス通路
３４…可変バルブ                  ３６…制御部
３８…燃料ガス供給路              ４０…空気供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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